АКУСТИЧЕСКИЙ ПИНЦЕТ ДЛЯ МАНИПУЛИРОВАНИЯ МИКРОЧАСТИЦАМИ

АННОТАЦИЯ

В настоящее время задача манипулирования нано- и микроразмерными частицами является актуальной во многих областях науки и техники. Для этого используются акустический и оптический пинцеты. В данной работе будет рассмотрен принцип работы акустического пинцета и воздействие пинцета с акустическим потоком на микрочастицу.

Ключевые слова: акустический пинцет.

Введение

Акустический пинцет представляет собой устройство, способное манипулировать мельчайшими частицами и микроорганизмами при помощи акустических волн. Сфера применимости акустического пинцета не ограничивается прозрачными объектами, а радиационная сила, действующая на частицу в акустическом пинцете, на 5 порядков выше, чем в оптическом пинцете.

Частицы в акустическом поле могут перемещаться силами, возникающими в результате взаимодействия акустических волн, жидкости и частиц. Эти силы (в том числе сила акустического излучения, сила вторичного поля между частицами и сила сопротивления Стокса) создают явление акустофореза, который является основой технологии акустических пинцетов.

Вторичные акустические течения являются сложным нелинейным эффектом, возникающим в жидкости на фоне колебательных процессов. В связи с этим, определение параметров вторичных течений является комплексной гидродинамической задачей.

В последнее время акустический пинцет применяется для манипулирования субмиллиметровыми объектами, такими как [5]:

• проточная цитометрия,
• разделение клеток,
• захват клеток,
• манипуляции с отдельными клетками,
• манипуляции с наноматериалами.

Об использовании одномерных стоячих волн для управления мелкими частями впервые было сообщено в статье 1982 г. «Ультразвуковой контроль волокнистых суспензий» [2].

До недавнего времени ученые могли манипулировать лишь одной микрочастицей. Сейчас же появилась возможность левитировать сразу множество маленьких объектов и управлять их перемещением по отдельности [3].

Принцип работы акустического пинцета.

Поскольку акустические волны с частотами в диапазоне от килогерца до мегагерца могут быть легко генерированы, акустический пинцет может напрямую манипулировать частицами на шкале длины, охватывающей более пяти порядков (от 10^-7 до 10^-2 м). Кроме того, применяемая акустическая мощность и частоты (от 1 кГц до 500 МГц) аналогичны тем, которые используются при ультразвуковой визуализации (2–18 МГц, менее 1 Вт/см²), который безопасно использовался в диагностических исследованиях [9,11].

Существует три основных типа акустических пинцетов — это пинцеты со стоячей волной, пинцеты с бегущей волной и пинцеты с акустическим потоком. Пинцет как со стоячей, так и с бегущей волной манипулирует частицами или жидкостями напрямую с помощью силы акустического излучения, тогда как пинцет с акустическим потоком косвенно манипулирует частицами с помощью акустически индуцированных потоков жидкости.

В данной работе будет рассмотрен принцип работы пинцета с акустическим потоком.

Пинцет с акустическим потоком. Устойчивый поток, создаваемый поглощением акустической энергии жидкостью, можно использовать для косвенного манипулирования частицами в жидкостях [12,4]. Этот поток, называемый акустическим потоком, чаще всего генерируется колеблющимися твердыми телами. Колеблющиеся тела могут создавать силы акустического излучения, достаточные для улавливания клеток, частиц или небольших организмов на поверхности тел [6] (например, величина сил акустического излучения для перемещения эритроцитов составляет приблизительно 2pN). Потоковые вихри, создаваемые колеблющимися телами, также могут вращать частицы в фиксированном положении и обеспечивать приведение в действие жидкости за счет усиления массопереноса через ламинарные потоки в замкнутых микроканалах. Акустически управляемые структуры с острыми краями или тонкие мембраны колеблются в жидкости, что приводит к акустическому потоку из-за вязкого затухания. Эти потоки создают области рециркуляции или градиенты давления, которые можно использовать для манипулирования частицами, смешивания высоковязких жидкостей или для колебательных манипуляций [1]. Пинцеты с акустическим потоком, как правило, представляют собой простые устройства, с которыми легко работать; однако, в отличие от пинцета бегущей волны, который можно использовать как в жидкостях, так и в воздухе, пинцет акустического потока может работать только в жидкостях. Кроме того, пинцет с акустическим потоком обеспечивает более низкую степень пространственного разрешения, поскольку явления, основанные на микроструктурах, являются нелинейными.

Заключение.

В настоящее время доступно множество различных типов акустического пинцета, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки; однако исследователям, не являющимся техническими экспертами в этой области, сложно определить технологию акустического пинцета, наиболее подходящую для конкретной области исследования.

Простота и биосовместимость акустических пинцетов делают их универсальной платформой, способной работать с широким спектром задач в биологии, биофизике и медицине.

Однако, несмотря на их положительные качества, необходимо устранить существенные технологические ограничения, прежде чем акустический пинцет сможет быть легко принят научным и медицинским сообществами. Например, одним из основных недостатков современных акустических пинцетов является их ограниченное пространственное разрешение. Акустическому пинцету сложно достичь такой же высокой частоты, как оптическому пинцету, что ограничивает точность акустического пинцета. В настоящее время ведутся различные исследовательские работы, связанные с инновационными идеями по улучшению акустических пинцетов. Стоит отметить, что это усовершенствование может существенно повысить точность акустического пинцета без увеличения частоты.

Список литературы:

1. Sadhal S. S. Acoustofluidics 16: acoustics streaming near liquid–gas interfaces: drops and bubbles //Lab on a Chip. – 2012. – Т. 12. – №. 16. – С. 2771-2781.
2. Carovac A., Smajlovic F., Junuzovic D. Application of ultrasound in medicine //Acta Informatica Medica. – 2011. – Т. 19. – №. 3. – С. 168.
3. Ding X. et al. Surface acoustic wave microfluidics //Lab on a Chip. – 2013. – Т. 13. – №. 18. – С. 3626-3649.
4. Dion J. L., Malutta A., Cielo P. Ultrasonic inspection of fiber suspensions //The Journal of the Acoustical Society of America. – 1982. – Т. 72. – №. 5. – С. 1524-1526.
5. Hashmi A. et al. Oscillating bubbles: a versatile tool for lab on a chip applications //Lab on a Chip. – 2012. – Т. 12. – №. 21. – С. 4216-4227.
6. J. Wu. Acoustical tweezers. J. Acoust. Soc. Am. Vol.89, no.5, pp. 2140-21453, 1991.
7.  Kwitae Chong, Scott D. Kelly, Stuart T. Smith, and Jeff D. Eldredge Transport of inertial particles by viscous streaming in arrays of oscillating probes // Physical review. - 2016. - №E 93, 013109.
8. Liqiang Ren, Jiayang Liu, Jian Yang, Ming Dao, Subra Suresh, and Tony Jun Huang Three-dimensional manipulation of single cells using surface acoustic waves // PNAS. – 2016.
9. Ng K. H. International guidelines and regulations for the safe use of diagnostic ultrasound in medicine //Journal of Medical Ultrasound. – 2002. – Т. 10. – №. 1. – С. 5-9.
10. Ostrovsky L. A., Stepanyants Y. A. Dynamics of particles and bubbles under the action of acoustic radiation force //Chaotic, Fractional, and Complex Dynamics: New Insights and Perspectives. – Springer, Cham, 2018. – С. 205-230.
11. Sadhal S. S. Acoustofluidics 13: Analysis of acoustic streaming by perturbation methods //Lab on a Chip. – 2012. – Т. 12. – №. 13. – С. 2292-2300.
12. Van Phan H. et al. Vibrating membrane with discontinuities for rapid and efficient microfluidic mixing //Lab on a Chip. – 2015. – Т. 15. – №. 21. – С. 4206-4216.